[发明专利]丁酸、丁醇及丁酯的制备方法

说明书

本申请主张于2011年4月14日所申请美国临时案61/475,454的优先权，其整体内容引入本文作为参考。

技术领域

此处，公开一种新颖制备丁酸(butyric acid)、丁醇(butanol)及丁酸酯(butyrate ester)的方法。该方法使用乳酸或选择性地使用乳酸及至少一醣类作为原料进行发酵以产生丁酸及丁醇，其较传统仅使用醣类作为碳源的发酵方法具有较高碳产率。

背景技术

丙酮-丁醇-乙醇发酵(acetone-butanol-ethanol fermentation,ABEfermentation)为一种利用细菌发酵以自醣类产生丙酮、丁醇及乙醇的厌氧(anaerobic)制程。该制程亦经常利用来自梭菌纲(Clostridia Class)的菌株。丙酮-丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)是最为知名的菌株，而拜氏梭菌(Clostridium beijerinckii)亦经常被使用。在丙酮-丁醇-乙醇(ABE)发酵过程中，先产生丁酸及醋酸，之后，培养基经代谢转换(metabolic shift)再产生例如丁醇、丙酮及乙醇的溶剂。该制程依3:6:1的比例(3份丙酮、6份丁醇及1份乙醇)产生上述溶剂。发酵的实际机制可能相当复杂且难以控制，导致丁醇产率低，且上述溶剂的生产进一步为严重的产物抑制(product inhibition)所限制。该方法曾广泛应用于工业发酵制程。惟自1950年以来，与上述溶剂自石油的生产相较，由于某些缺点使其获利较低，致工业丙酮-丁醇-乙醇(ABE)发酵已逐渐为石油化学方法(petroleum chemical methods)所取代。

一般来说，发酵制程受限于低产率、低生产力及低产物浓度。低产率归因于发酵过程中生成二氧化碳所造成基质与产物的低转换率(conversion rate)。发酵过程所产生的挥发性有机化合物包括乙醇或丁醇。此外，由于产生大量(一般为40～50%)二氧化碳，致这些溶剂被称为半燃烧燃料(half-burn fuel)。

随着石油价格波动，自再生资源(renewable resources)生产生质燃料(biofuels)已日趋获重视。研究人员寻求各种改善发酵制程的方法，以提升醣类转换为丁酸或丁醇的产率。然，产率并未显著改善。

例如，美国专利US7,455,997描述一两步骤发酵制程，其使用包括两多醣类的植物性原料，第一个较易水解，第二个则较难水解。在该制程中，先后以酸及酶对该两多醣类进行水解以产生一发酵产物混合物，例如乙醇、甘油、丙酮、正丁醇、丁二醇、异丙醇、丁酸、甲烷、柠檬酸(citric acid)、反丁烯二酸(fumaric acid)、乳酸、丙酸等。美国专利US5,132,217教示使用选自果糖、葡萄糖、甘油及蔗糖的营养物质作为主要碳源，于梭菌(Clostridium)存在下进行发酵以产生丁酸。根据此例，34%的碳产率来自葡萄糖，而33%的碳产率来自蔗糖。另一制程描述于美国专利US2008/0248540，其提供一高达48%(g/g)的产率，为葡萄糖转换为丁酸的理论转换率。此专利亦公开将葡萄糖转换为丁醇的一两步骤制程。

改善碳产率

当使用传统葡萄糖发酵制程并寻求改善之道时，对于生产生质燃料可行性的因素为二氧化碳的生成。在制程中，至少三分之一的碳会因二氧化碳生成而损失。与传统醣类发酵过程相较，本公开提供具有较佳碳转换(carbon conversion)及碳产率(carbon yield)的丁酸及丁醇制备方法。

发明内容

本公开提出一种新颖制备丁酸(butyric acid)的方法，其利用一产丁酸菌(butyric acid-producing bacterium)对一原料进行发酵，其中该原料包括乳酸或选择性地包括乳酸及至少一醣类。

本公开是有关于制备丁酸的方法，其包括以至少一产丁酸菌(butyric acid-producing bacterium)对一原料进行发酵以产生丁酸，其中该原料包括乳酸或选择性地包括乳酸及至少一醣类。例如，该至少一产丁酸菌包括至少一梭菌株(Clostridium strain)。